Hochwertige Mikroresonatoren im langwelligen Infrarot auf Basis von nativem Germanium

Was wäre, wenn es ein Gerät gäbe, das innerhalb kürzester Zeit überprüfen könnte, ob Sie COVID oder die Grippe haben – oder vielleicht sogar erkennen würde, dass Sie Diabetes haben, ohne es zu wissen? Das alles könnte das Gerät herausfinden, ohne dass Sie zum Arzt oder ins Labor gehen müssten.

Diese Technologie könnte innerhalb weniger Jahre Realität werden, und Elektroingenieure sind einige der Personen, die es ermöglichen, solche Geräte zu entwickeln, die eine Schlüsselkomponente enthalten, die als Mikroresonator im Flüstergaleriemodus bezeichnet wird.

Neue Technologien bieten bessere optische Sensoren, die für die Elektronik wichtig sind, darunter Geräte, die Chemikalien mit Licht analysieren.

„Wir haben den verlustärmsten Flüster-Galeriemodus-Mikroresonator für das langwellige Infrarotspektrum gebaut. Da das langwellige Infrarotspektrum definitive Informationen über Chemikalien liefert, bietet es neue Möglichkeiten für Sensoranwendungen“, sagt Dingding Ren, ein Forscher an der NTNU-Abteilung für Elektronische Systeme.

Ren und seine Kollegen haben einen neuen Flüster-Galerie-Mikroresonator entwickelt – der Licht für bestimmte Wellenlängen viel länger in der Resonanz speichern kann.

„Unser Mikroresonator ist etwa 100-mal besser als das, was vorher für das langwellige Infrarotspektrum verfügbar war“, sagt Ren.

„Es kann das Licht 100-mal länger halten als frühere Versionen, was das optische Feld im Inneren verstärkt und nichtlineare Prozesse wie die Erzeugung von Frequenzkamm viel einfacher macht“, sagte er.

Ren und seine Kollegen haben zur Entwicklung einer ganzen Reihe von Nanofabrikationsprozessen zur Herstellung der Mikroresonatoren beigetragen. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in vorgestellt Naturkommunikation.

Eröffnet großartige Möglichkeiten

Die effektivere Speicherung von Lichtwellen im infraroten Teil des Lichtspektrums ist eine gute Nachricht für verschiedene Arten neuer Technologien, insbesondere für die Partikelerfassung und die spektroskopische chemische Identifizierung, die eine Gas- oder Flüssigkeitsprobe analysieren, um sie auf Viren, Bakterien und andere Schädlinge zu untersuchen habe.

Mit dem neuen Mikroresonator können Wissenschaftler mit diesen Geräten breitbandige Frequenzkämme im langwelligen Infrarotspektrum entwickeln. Und welche könnten das sein?

Frequenzkämme sind Laserlichter, deren Spektrum aus einer Reihe von diskreten, gleichmäßig beabstandeten Frequenzlinien besteht. Diese können an verschiedenen Stellen gefunden werden, z. B. in Ihrem GPS, in Atomuhren und in Glasfasergeräten, die in Telefonen und Computern verwendet werden. Die Technologie öffnet auch die Tür zur gleichzeitigen Analyse mehrerer Chemikalien, wenn ein breitbandiger Frequenzkamm im langwelligen Infrarotspektrum verfügbar ist.

„Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen, wenn es um Messungen im langwelligen Infrarotspektrum des Lichts geht. Aber unsere Verbesserung gibt uns die Möglichkeit, in naher Zukunft mehrere verschiedene Chemikalien in Echtzeit zu identifizieren“, sagte Ren.

Diese Art von spektroskopischen Geräten gibt es bereits, aber sie sind so groß und so teuer, dass sie sich nur Krankenhäuser und Institutionen mit großem Budget leisten können. Andere, etwas einfachere Maschinen könnten vielleicht ein paar Chemikalien analysieren, aber nicht viele auf einmal – im Gegensatz zu dem, was die neue Technologie möglich machen könnte.

Ren hat eng mit Professor David Burghoff und seinen Kollegen an der University of Notre Dame in den USA zusammengearbeitet.

„Der Wettbewerb in diesem Bereich ist hart“, sagt Ren.

Der neue Mikroresonator wird aus dem Element Germanium hergestellt. Das Material mag exotisch klingen, aber es wurde bereits 1947 im ersten Transistor der Welt verwendet, bevor Silizium diesen Markt eroberte.

Germanium wird heute häufig in optischen Linsen von Sensoren und Wärmebildkameras verwendet und ist daher weder besonders selten noch teuer. Dies sind auch Vorteile, wenn die Theorie auf den Markt gebracht werden soll.

Was sind Mikroresonatoren überhaupt?

Mikroresonatoren, eine Art optischer Hohlraum, können optische Felder auf sehr kleinem Raum speichern. Sie können in einer Rennstrecken- oder Scheibengeometrie hergestellt werden, aber sie haben normalerweise eine Mikrogröße, ähnlich der Dicke eines Haares. Licht bewegt sich im Mikroresonator kreisförmig, wodurch das optische Feld verstärkt wird.

„Wir können den Mikroresonator mit dem vergleichen, was mit dem Klang in der Flüstergalerie in der St. Paul’s Cathedral in London passiert“, sagt Ren.

Diese elliptische Galerie hat ein berühmtes Phänomen hervorgebracht. Sie können an einem Ende davon flüstern und die Leute am anderen Ende des Raums können Sie hören, obwohl sie Sie normalerweise in dieser Entfernung nicht hören könnten. Die Schallwellen werden durch die Form des Raumes und der Wände verstärkt, so verhalten sich Lichtwellen im Mikroresonator.

„Wir haben versprochen, einen besseren Mikroresonator zu entwickeln, und das ist uns gelungen“, sagte Ren.

Bjørn-Ove Fimland und Astrid Aksnes, beide Professoren in der Abteilung für elektronische Systeme der NTNU, haben uns dabei beraten.

„Die Tatsache, dass wir jetzt im langwelligen IR-Bereich (8-14 µm oder Mikrometer) des Lichtspektrums messen können, eröffnet viele Möglichkeiten in Bezug auf den Einsatz in der Bildgebung und Erkennung, Umweltüberwachung und biomedizinischen Anwendungen“, sagt Aksnes.

„Viele Moleküle haben fundamentale Schwingungsbanden im mittelwelligen IR-Bereich (2-20 µm), der sogenannten ‚molekularen Fingerabdruckregion‘. Indem wir in diesem Wellenbereich messen, erreichen wir eine höhere Empfindlichkeit“, sagt sie.